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柔性石墨板的发展史

发布者:腾阳节能科技有限公司  发布时间:2016-12-04  阅读:1224次
柔性石墨板的发展史
 柔性石墨板是电机(除鼠笼式电动机外)传导电流的滑动接触体。在直流电机中,它还担负着对电枢绕组中感应的交变电动势,进行换向(整流)的任务。实践证明:电机运行的可靠性,在很大程度上决定于石墨板的性能。
    1831年,法拉弟提出了电磁感应定律,于是出现了直流发电机的雏形。为了把电流 输入或导出电机的旋转集流装置,作为滑动导电元件的石墨板,也就同时问世。最初采用铜丝束捆扎而成,外形很像一把刷子,为此便有石墨板之称。后来为了提高石墨板的导电能力,又采用铜丝网压制成的石墨板,但历史很短。
    到了十九世纪的后半期,随着电的应用范围不断扩人,各种各样的发电机、电动机应运而生。原有铜丝束和铜丝网压制的石墨板,摩擦系数大,使用寿命短,对摩擦付的磨损也大;更严重的是当发生火花时,石墨板被烧熔,粘结在摩擦付上;而且本身电阻小,无法改善换向问题。为此促使人们不得不寻找新的石墨板材料。
    1883年Forbs采用炭粉为原料,以糖浆为粘结剂,经混合、压制、焙烧等:工序制造出第一批炭质石墨板。它可以在电流密度较低、转速不高的电机上较好的工作,促进了电机工业的发展。此后为了提高石墨板的自润滑性能,1893年出现了以天然石墨粉为原料的天然石墨刷。为了适应低电压、大电流电机的需要,1900年又出现了以金属铜粉和天然石墨粉为原料制造的金属石墨刷。这样到十九世纪末,先后研制成功三种类型的石墨板(即炭质石墨板、天然石墨石墨板和金属石墨石墨板),基本上满足了当时电机工业的需要。
    到廿世纪初,出现高速整流子电机,当滑动接触速度超过12 ~ 15m/s时,由于石墨板震动,换向性能差等原因,产生强烈的火花,而且摩擦付的磨损甚剧,原有的石墨板无法适应新型电机的盖要。
1895年美国人E. G. Acheson发明了人造石墨专利,人们将炭质石墨板放入石墨化炉中,首次制造了人造石墨(通称电化石墨)石墨板。这种石墨板除纯度、润滑和导电性能有明显提高外,其运行性能(特别是换向性能)、使用寿命、对换向器的磨损、抑制火花能力、允许速度和耐过载能力等方面均显著改莕。自1910年面市之后,到1920年期间,除低电压大电流电机外,一般电机均使用了这种电化石墨刷。它的出现是石墨板制造业的一个质的飞跃。
    近几十年来,由于电机功率的不断提高,转速和线速度的增加,调整范围的加大,要求转动惯量的减少等等,特别是各种不同使用条件的专用电机(如航空电机、分马力电机、交流整流子电机、牵引电机、乳钢电机、汽车电机等)的出现。促使新品种、新结构、新型式的石墨板不断湘现,
(1)具有不同换向能力的石墨板
    电机换向不良是直流电机不能正常工作的主要原因。恶性火花的产生是换向不良的直接后果。当石墨板与换向器之间产生火花超过一定限度时,石墨板便急剧磨损,换向器表面烧伤,严重时可以烧毁电机。为了抑制或消除火花的产生,除电机设计者优化设计外,在很大程度上,要靠石墨板解决。由电磁换向理论可知,要把换向元件产生的短路电流限制在较小的范围内,增加换向回路的电阻是有效办法。这便要求石墨板具有一定的接触电压降和形成良好氧化膜(接触压降)能力,同时要把接触损耗限制在一定范围。石墨板制造者已经成功的解决了这一课题。采用不同原料和制造工艺,可以制造各种给定性能的石墨板。迄今为止,石墨板品种已经不少于几十个。
(2)高速电机用石墨板
随着电机转速的提高,由于机械原因造成震动,是不可避免的。因石墨板的惯性,致使随动性不良,从而产生震动性火花。为了提高接触稳定性,减少火花的产生,早在1937 年便研制成功“通气”石墨板(刻槽石墨板)。由于制造复杂使用范围有限,后来研制出多孔的轻质石墨板,攻克了这一难关。这种石墨板可以在90m/s秒的滑环上和50m/s的整流子上运行。
(3)高空石墨板
在整流子或滑环表面,石墨板能形成一种均匀、稳定、适度的氧化膜,是改善换向和低磨损的有利保证。由于高空中低氧、低温、低湿环境,氧化膜形成的条件受到抑制,石墨板便产生急剧磨损,每小时磨损10mm是很普通的事。这个问题早在1930年便被发现。 二次世界大战初期,有因此而造成飞机失事的记录。将石墨板浸渍漆基干性油,收到了一定效果,但飞行高度仍受到限制。后来发展成为浸渍碱金属卤化物,虽然飞行高度提髙了,但需预先在地面上运行20个小时之后,才能升空,显然不符合战时条件。1952年研制成功了用氟化钡与漆基干性油共同浸渍方法,使这一问题基木得到解决。另外采用软金属制造石墨板,或二硫化钼抑头石墨板也收到了较好效果。
(4)磨料石墨板
在化工厂、造纸厂、轧钢厂等工作的电机,石墨板不得不在氨、氯、硫化物、尘雾等气氛中工作。致使氧化膜增厚(俗称厚膜),从而各种磨料型石墨板应运而生,它可以使氧化膜维持在一定水平,保证电机的正常运行。
(5)高电阻石墨板
对于交流整流子电机和分马力电机而言,由于设计条件的限制,换向问题较难解决。采用普通石墨板,无法抑制换向元件产生的短路电流。为了增加换向回路的电阻,近年来研制出高电阻石墨板,其电阻率比般石墨板可高出几十甚至几百倍。但由于电阻人,允许电流密度则较小,否则会因温度急剧升高而烧毁,使用范围有限。
(4)炭纤维复合石墨板
众所周知,为了提高石墨板的集流性能,要求石墨板纵向电阻尽量小一鸣,反之为了提高石墨板的换向能力,又希望石墨板的横向电阻尽量大一些,要求石墨板具有非常明显的各向异性。一般石墨板虽然也有这一特性,但各向异性比较低(一般只有1:1.1 ~ 1.3)。炭纤维这一新型材料问世之后,用炭纤维制成复合石墨板,各向异性比可达1:6以上,解决了这一难题。该种复合石墨板在电机转速为90m/s,电流密度为47A/cm²条件下工作,效果良好。 但由于价格贵,暂时还不能大量推广。
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